基于接触角法表征纺织品表面润湿性应用研究

摘要：

纺织品在日常使用中会接触到各类液体，表面润湿性是其表面性质的重要特征之一，是与其实际使用要求密切相关的一项性能。本文重点详述了纺织品表面润湿性的现象和原理，接触角试验方法，接触角在纺织品表面润湿性中的应用及研究状况。

关键词：接触角;表面润湿性;躺滴法;超疏水表面;荷叶效应

随着生活质量的提高和科技水平的进步，人们对纺织品的性能也提出越来越多的要求。表面润湿性是纺织品的一项重要指标，是评价其具有拒水性/亲水性的项目之一。例如医用防护服、手术单、户外运动服装、墙布、桌布、雨衣、防雪服等产品都对表面润湿性有不同的要求，以确定其是否能够满足实际环境的应用。

接触角试验方法通过测量纺织品表面与液体之间的接触角大小，得到可量化的接触角值来表征纺织品的表面润湿性，还可以通过观察纺织品表面接触角的变化情况了解其润湿过程。

1 表面润湿性

润湿是固体表面上的一种流体被另一种流体所取代的过程，往往是指液体取代气体的过程。表面润湿性是液体在固体表面上附着的现象，是固体表面的重要性质之一，也是自然界常见的一种界面现象。自然界中的荷叶、玫瑰花瓣和鳞翅目昆虫翅膀等表面都存在特殊的微观几何结构以及具有一定疏水性的化学组成，其表面与水滴的接触角可以达到160°，水滴在这样的表面很容易滚落，如图1所示荷叶上的水珠，这种现象被称为荷叶效应。荷叶效应理论已经应用到很多行业，而在纺织行业中，很多企业基于这种理论开发了具有荷叶效应的织物，该类织物具有超疏水的能力。

图1 荷叶效应

著名的杨氏方程揭示了在理想的光滑表面上，当液滴达到平衡时表面张力与接触角之间的函数关系。一般当固―液间的接触角θ90°时，认为表面具有疏水性质，如图2（b）所示 [1]。

图2 接触角示意图

纺织品的表面润湿性通常包括对织物表面润湿性和单根纤维表面润湿性的研究。对于织物而言，它是纤维的集合体，纤维之间存在空气，其表面润湿是液体和纤维集合体之间的相互作用过程;而单根纤维的润湿，则遵循固体表面的润湿原理[2]。润湿作用包括沾湿、铺展、浸湿三种类型，对于织物来讲，其表面润湿性主要是沾湿和铺展;而对于纤维以及染色工艺来讲，其表面润湿性主要是研究浸湿。

2 接触角试验法

接触角是在固―液―气三相交界处，作液―气界面的切线穿过液体与固液交界线之间的夹角，它是表面润湿程度的度量，如图2所示。接触角是肉眼可以观测到的一种界面现象，是液体与固体表面相互作用的直观表现。将液体滴于织物表面，液体可能在织物表面形成一个具有一定接触角的液滴并停留在织物表面，也可能铺展开来并被织物吸收。接触角的大小可以用来表征织物表面的润湿性或者疏水性，接触角越小，表明织物润湿性越好，疏水性越差;接触角越大，表明润湿性越差，疏水性越好。

液滴的平衡是体系能量趋向最小化，使液滴在固体表面处于稳定状态，静态接触角是固―液―气界面间表面张力平衡的结果。织物表面的润湿性能一般采用静态接触角表示，简称接触角来衡量。常用的纺织品接触角试验方法主要包括座滴法和Wilhelmy法，其中座滴法适用于织物的接触角测量，而Wilhelmy法则适用于单根纤维接触角的测量。

2.1 座滴法

座滴法是测量织物表面与液体间接触角的一种最常用方法，也称躺滴法，将规定体积的液滴直接滴在织物表面上，然后通过量角法、量高法、液滴形状分析法和光反射法等方法来测量液滴在织物表面的接触角。

（1）量角法：将一个液滴滴在织物表面，在获得织物和液滴的清晰图像后，在固―液―气三相交界处作液―气界面的切线，使用量角器直接量出接触角大小的一种方法。该方法的优点是操作方便快捷，缺点则是受试验人员的操作影响较大，精度较低，不能实现连续动态测量接触角的变化情况。

（2）量高法：当液滴的体积小于6μL时，可忽略重力作用对液滴形状的影响，认为液滴呈现标准圆或者标准圆的一部分[3]。将一个液滴滴在织物表面上，通过测量织物表面上液滴的高度和接触面的宽度来计算接触角，同时可以通过连续跟踪测量液滴高度和接触面的宽度来得到动态的接触角变化情况。

（3）液滴形状分析法：随着计算机图像处理技术的发展，其在接触角测量中发挥了越来越重要的作用，计算机软件可以通过使用液滴形状分析算法来计算接触角。常见的液滴形状分析算法包括：多项式拟合法、Snake法、轴对称液滴形状分析法、Young-La-place方程数值综合法和解析近似法等。液滴形状分析法重复性好，误差小，精确度高，已广泛应用于接触角测量中[4]。

（4）光反射法：将液滴滴在织物表面后，将光源通过狭缝照射到三相交界处，通过改变光的入射方向，当反射光刚好沿着固体表面发出时，可根据入射光与反射光的夹角计算接触角，光反射法只能用于测定小于90°的接触角，局限性大，并且操作繁复、难度较大。

2.2 Wilhelmy法

Wilhelmy法可用于测定液体的表面张力和液体在单根纤维上的接触角，是由Wilhelmy于1863年提出的，根据其测量原理也将其称为润湿天平法。该方法基于Wilhelmy公式，对于浸没在某一种液体中的物体：F=P・C・cosθ-（QL-QG）・V，其中F为润湿力;P为润湿周长;C为液体表面张力;θ为接触角;QL为液体密度;QG为气体密度。对于相当细小的纤维来说，与总作用力相比，浮力约为总润湿作用力的1%，可忽略不计，则F=P・C・cosθ。当纤维与液体接触时，润湿力会给纤维一个拉力，或者是推力，通过测量纤维垂直与水接触时的润湿力，根据公式可以计算接触角。 纤维表面并不是完全均质且光滑的理想表面，因此其实际接触角并不是如杨氏方程所预示的取值唯一，而是在两个角度之间变化，这种现象称为接触角滞后现象。当液体沿着纤维表面上升时，纤维的表面是由固―液界面代替固―气界面，该接触角称为前进接触角;当液体沿着纤维表面下降时，纤维的表面由固―气界面代替固―液界面，称为后退接触角。通过采用前进接触角和后退接触角的差值来表征接触角的滞后性。

3 应用研究

接触角法在纺织品中的应用包括：计算表面能、亲水/拒水整理效果表征、染色、开发超疏水织物、纤维表面性质和纤维和树脂界面相容等方面。

3.1 计算表面能

表面能是固体表面特征和表面现象形成的主要推动力，是描述和决定固体表面性质的重要物理量，表面能的计算与表征是许多自然现象和生产过程的理论基础。至今为止尚未找到一种能够从试验上直接测量固体材料表面能的试验方法，对于纺织品表面能的计算，应用最广泛的方法就是接触角法，该方法通过测量织物与不同表面张力的液体之间所产生的不同接触角去计算出纺织品的表面能[5]。用接触角来计算固体表面能是基于杨氏方程的推导，由于杨氏方程只适用于化学性质均一的理想光滑表面，因此研究学者在杨氏方程的基础上，发展了很多计算表面能的方法，如Zisman法、Antonow规则法、Berthelot规则法、Good-girifalco法、Fowkes法、Owens法、几何平均法、调和平均法和LW-AB法等[6]。

Wenzel理论认为粗糙表面使得实际上固―液之间的接触面要大于表观观察到的面积，增大固体表面粗糙度会使疏水表面更疏水，亲水表面更亲水，这种粗糙是指纤维表面的微纳米级的肉眼不可见的粗糙。Wenzel只考虑了液滴在固体表面完全接触的情况，Cassie-Baxter理论认为当固体表面具有很高的粗糙度时，液体与固体不完全接触，部分与气体接触。在材料微细结构化表面，因为结构尺度小于表面液滴的尺度，将有截留的空气存在，于是表观上的固―液接触面将由液―固和液―气共同组成[7]。

狄剑锋等[8]为了比较各种纺织品表面能计算方法的结果差异，分别用Owens二液法、Owens三液法、Neumann法、Forkes法和Vanoss法计算表面能，并对计算结果进行了比较，认为Neumann法测量和计算最为简单，Owens二液法最为常用。Owens二液法、Owens三液法、Neumann法、Forkes法和Vanoss法在国际上被广泛使用，但研究发现，它们都存在一定的局限性，这5种计算方法均可用于表面能大于20 mJ/m2的表面，但对小于20 mJ/m2的最好选用Neumann法计算[9]。

3.2 亲水性/拒水性评价

刘娴等[10]采用亲水整理剂浸渍PP非织造布，然后以蒸馏水为试液，通过针管将水滴滴落在整理过的PP非织造布表面，测得其平衡接触角为0°，即液体在织物表面完全润湿，而整理前PP非织造布的接触角为148°，通过整理前后非织造布接触角的测量结果来表征其亲水整理效果。黄锋林等[11]研究了等离子体处理后丙纶纤维表面形态以及接触角的变化，利用基于Wilhelmy原理的接触角仪测量了纤维的动态接触角，通过比较分析得出了等离子体处理后丙纶纤维的表面形态和表面接触角的关系，结果表明等离子体处理技术能够显著降低纤维表面接触角，改善纤维润湿性能，发现表面粗糙是导致纤维表面后退角降低的主要原因。

3.3 染色性

丙纶纤维表面润湿性差，使得其染色困难，限制了在服装上的应用，所以改善丙纶纤维的润湿性具有很强的应用价值和现实意义。狄剑锋等[12]为了改善涤纶纤维的染色性能，采用碱液对其进行了表面处理，用动态接触角仪测量表面处理后纤维的动态接触角，用原子力显微镜测量了纤维表面的粗糙度，用分散染料对处理前后的纤维进行染色，并用测色配色仪测试了样品的染色深度。试验结果显示，经过表面处理后的纤维，表面粗糙度明显增大，表面接触角明显减小，纤维上色速度明显加快，可以减少染色时间10min以上且达到同样的染色效果。

3.4 超疏水纺织品

通常将接触角大于150°的表面称为超疏水表面，具有超疏水表面的纺织品在表面自清洁、防雨雪、拒油、抗血液等方面具有广阔的应用前景。超疏水透气织物可用在军用作战服装、户外服装、医生手术服、帐篷、防雨服、防雪服等领域，具有巨大的市场和经济效益，使其成为纺织领域研究的热点。

王前进等[14]以荷叶表面微纳米结构为参考模型，对棉织物进行处理修饰，获得了超疏水织物，水滴在该织物上表面接触角可达160°。织物形成的微纳米级粗糙度和ASO-1膜的存在是织物疏水的主要原因，微纳米凸体能减少纤维与水的接触面积，提高水在纤维表面的接触角，使织物具有超疏水性。

制备超疏水表面主要有以下一些途径：在纤维表面涂敷一层低表面能物质，同时增加其表面的粗糙度;对纤维的亲水基团进行改性，如将纤维素结构的―OH等亲水性基团用其他疏水性基团取代。

3.5 纤维表面性质

李健等[15]研究了低温等离子体处理对PBO纤维润湿性的影响，通过芯吸效应和接触角法表征处理前后PBO纤维的润湿性，采用扫描电子显微镜（SEM）观察处理前后纤维的表面微观形貌，用X射线光电子能谱仪（XPS）对处理前后PBO纤维表面化学组成进行定性分析。结果表明，改性后PBO纤维芯吸高度大幅上升，接触角明显降低，其表面产生明显刻痕，局部有剥离现象，改性后PBO纤维O、N元素含量均有所提高。 4 结语

表面润湿性是纺织品的一项重要指标，采用接触角法可以得到可量化的接触角值来表征纺织品的表面润湿性，可以直观地观察到液滴在纺织品表面的形状和变化。同时接触角法在纺织品的表面能计算、亲水/拒水性改性评价、可染色性、超疏水表面、纤维表面性质、界面相容性等方面都有广泛的应用，加强对纺织品接触角试验方法和表面能理论的研究，有助于拓展和完善其在纺织品领域中的应用。

参考文献：

[2]凌群民，李永锋，谭磊，刘呈刚.对织物润湿性能的研究[J].纺织科学研究，2005，

（1）：44-47.

[3]狄剑锋.低温等离子处理对丙纶纤维湿润性能的影响[J].五邑大学学报（自然科学版），2002，16

（4）：1-4.

[6]罗晓斌，朱定一，石丽敏.基于接触角法计算固体表面张力的研究进展[J].科学技术与工程，2007，7

（19）：4997-5004.

[7]王雪梅.超疏水表面润湿性能研究[J].广东化工，2013，40

（11）：73-74，78.

[8]狄剑锋.织物表面能的计算方法及其比较[J].纺织导报，2005，

（9）：77-79.

[9]狄剑锋.织物表面能计算公式的局限性[J].纺织学报，2005，26

（5）：43-45.